Etude des communautés microbiennes fonctionnelles benthiques impliquées dans le cycle du ...

212 Pages·2016·8.09 MB·French

by  Elodie Billard

Etude des communaut´es microbiennes fonctionnelles
benthiques impliqu´ees dans le cycle du m´ethane (Lac du
Bourget)
Elodie Billard
To cite this version:
Elodie Billard. Etude des communaut´es microbiennes fonctionnelles benthiques impliqu´ees
´
dans le cycle du m´ethane (Lac du Bourget). Biodiversit´e et Ecologie. Universit´e Grenoble
Alpes, 2015. Fran¸cais. <NNT : 2015GREAA017>. <tel-01252691>
HAL Id: tel-01252691
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THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE ALPES
Spécialité : Biodiversité, Ecologie, Environnement
Arrêté ministériel : 7 août 2006

Elodie BILLARD
Présentée par

Thèse dirigée par Isabelle DOMAIZON et Emilie LYAUTEY
Préparée au sein du Laboratoire CARRTEL
Dans l'École Doctorale SISEO

Etude des communautés microbiennes
fonctionnelles benthiques impliquées
dans le cycle du méthane (Lac du
Bourget)

Thèse soutenue publiquement le 17 juillet 2015

Devant le jury composé de :

Bernard MONTUELLE
Directeur de recherche, UMR CARRTEL
INRA, Thonon les bains Président du jury
Clarisse MALLET
Maître de conférences, UMR LMGE
Université Blaise Pascal Rapporteur
Stéphane PESCE
Chargé de recherche
IRSTEA, Lyon Rapporteur
Frédéric GARABETIAN
Professeur, UMR EPOC
Université Bordeaux 1 Examinateur
Isabelle DOMAIZON
Directrice de recherche, UMR CARRTEL
INRA, Thonon les bains Directrice de thèse
Emilie LYAUTEY
Maître de conférences, UMR CARRTEL
Université Savoie Mont Blanc Encadrante de thèse

Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France /
Université Stendhal / Université Savoie Mont Blanc / Grenoble INP

A la mémoire de
Catherine Marie Billard

Résumé

Les communautés microbiennes benthiques participent activement au recyclage de la
matière organique et de fait au fonctionnement biogéochimique des écosystèmes lacustres.
Ces communautés comportent de nombreux phyla mais leur diversité fonctionnelle est encore
incomplètement connue. Ce travail vise à appréhender les modifications de structure et
d’abondance des gènes fonctionnels en lien avec la distribution spatiale verticale (liée au
gradient d’oxydoréduction), la variabilité spatiale horizontale (zone côtière vs pélagique) et la
dynamique saisonnière liée au brassage de la colonne d’eau (ré-oxygénation des interfaces
benthiques), de même que l’identification de la diversité des méthanotrophes et des
méthanogènes.
Pour cette étude, des carottes sédimentaires ont été prélevées sur un transect zone
côtière – zone pélagique, à différentes dates au cours d’un cycle annuel. Chaque carotte
sédimentaire a été analysée dans la verticalité entre l’interface eau-sédiment et 20 cm. Les
communautés microbiennes participant au cycle du méthane ont été ciblées par 2 gènes de
fonction et étudiées en termes de structure, de diversité et d’abondance; par ailleurs, des
marqueurs phylogénétiques ont été utilisés pour caractériser les communautés bactériennes et
archéennes totales.
Les résultats de l'étude spatiale montrent que, si à l’échelle locale (station
d’échantillonnage) une relative homogénéité des communautés microbiennes (totales et
fonctionnelles) est observée, des variabilités fortes sont détectées d’une part à l’échelle des
transects horizontaux en lien avec des changements de conditions environnementales et
d’autre part dans la verticalité des sédiments sous l’effet des conditions d'oxydoréduction. La
communauté bactérienne étant la plus affectée dans la verticalité, avec des changements de
structure entre toutes les strates étudiées. Dans cette même étude, une analyse comparative de
la structure des communautés (totales et fonctionelles) a démontré que l’analyse
d’échantillons individuels permettait d’obtenir un plus grand nombre d’OTU que l’analyse
des mêmes échantillons regroupés en pools.
Les résultats de l'étude de la dynamique temporelle des communautés méthanogènes et
méthanotrophes révèlent des changements de structure et abondance, principalement à
l'interface eau - sédiment en lien avec la dynamique d'oxygénation du lac. Quant à l’analyse
de la diversité, elle montre une dominance des Methanomicrobiales (Methanoregula
principalement) pour les méthanogènes, mais les Methanosarcinales (Methanosarcina) et les
Methanobacteriales (Methanobacterium) ont également été identifiés. Pour les
méthanotrophes, la diversité est dominée par Methylobacter en zone profonde et par
Methylococcus en zone côtière, les méthanotrophes de Type II (Methylosinus et
Methylocystis) ont aussi été identifiés.
L’ensemble de ces travaux souligne l’importance de prendre en compte, à la fois la
variabilité spatiale (horizontale et verticale) et la variabilité temporelle, des communautés
méthanogènes et méthanotrophes lors de l’étude de ces communautés. Les changements quant
à leurs structures et leurs abondances sont des paramètres non négligeables pour comprendre
les processus impliqués dans le cycle du méthane.

Mots-clés : Ecologie fonctionnelle – Cycles biogéochimiques – Sédiments lacustres –
Méthanotrophes – Méthanogènes – Variabilité spatio-temporelle

Abstract

Benthic microbial communities are actively involved in organic matter recycling and
fact biogeochemical functioning of lake ecosystems. These communities comprise many
phyla but their functional diversity is still incompletely known. This study is focused on the
benthic microbial communities involved in the methane cycle in lacsutrine suystems. We
aimed understanding the structural and abundance changes of functional genes related to the
vertical distribution (redox gradient in sediment), the horizontal variability (coastal vs. pelagic
benthic zone) and seasonal dynamics related to mixing of the water column (re-oxygenation
of benthic interface). The composition of methanotrophic and methanogenic communities was
characterized by sequencing analyses.
For this study, sedimentary cores were sampled along a transect from coastal to
pelagic zone, at different times during an annual cycle. In addition, each sediment core was
analyzed in its verticality from the water-sediment interface to 20 cm depth. Microbial
communities involved in the cycle of methane (methanogenesis and methanotrophy) were
targeted by 2 functional genes (mcrA and pmoA). Furthermore, phylogenetic markers were
used to characterize the total bacterial and archaeal communities. These communities are
studied in terms of structure (genotyping), diversity (sequencing) and abundance (qPCR,
DNA) of their functional genes.
The results of the study showed that, on a spatial scale, a low heterogeneity was
detected for a given sampling station in terms of structure of microbial communities (total and
functional), however, a high variability was detected both at an horizontal scale along a
transect (costal vs. pelagic zone), due to contrasted environmental conditions, and at a vertical
scale (upper to deeper layers in the core) under the effect of redox conditions. The bacterial
community being the most affected in the verticality, with structural changes among all strata
studied. In the same study, a comparative analysis of the structure (for all of the
communities), between pooled samples and individual samples, demonstrated that the
analysis of individual samples provided a greater number of OTU for the majority of
microbial communities.
Moreover the study of the temporal dynamic of methanogen and methanotroph
communities revealed changes in the structure and abundance, mainly at the water - sediment
interface, according to the oxygenation levels that varied through time. The analysis of
diversity showed a dominance of Methanomicrobiales (Methanoregula mainly) for
methanogens, but Methanosarcinales (Methanosarcina) and Methanobacteriales
(Methanobacterium) were also identified. The methanotrophs’ community was dominated by
Methylobacter on deeper stations and by Methylococcus in coastal station. Type II
methanotrophs (Methylosinus and Methylocystis) were also identified.
This work highlights the importance of taking into account both the spatial variability
(horizontal and vertical) and the temporal variability of methanogen and methanotroph
communities. Changes on their structures and abundances are significant parameters for
understanding the processes involved in the methane cycle.

Keywords: Functional Ecology - Biogeochemical cycles - Freshwater sediments -
Methanotrophs - Methanogens - Spatiotemporal variability

Remerciements

Ce travail de thèse a été réalisé au sein du Centre Alpin de Recherche sur les Réseaux
Trophiques et Ecosystèmes Limniques (UMR INRA - Université Savoie Mont Blanc) avec le
soutien financier du Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche.
Je tiens tout d’abord à témoigner ma gratitude et mes plus sincères remerciements à
Clarisse MALLET et Stéphane PESCE qui me font l’honneur de rapporter mon travail de
thèse. De même qu’à Bernard MONTUELLE et Frédéric GARABETIAN qui ont accepté
d’évaluer mon travail.

Je tiens à remercier Bernard MONTUELLE, directeur du laboratoire CARRTEL et
Etienne DAMBRINE, directeur adjoint, pour m’avoir accueillie au sein du laboratoire.
Je tiens à remercier mes directrices de thèse, Isabelle DOMAIZON et Emilie
LYAUTEY, qui ont encadré mes travaux. Merci pour votre soutien au quotidien, votre
disponibilité malgré des emplois du temps chargés, votre aide et surtout de m’avoir toujours
encouragée ces dernières années.

Merci à tous ceux qui m’ont aidé à réaliser les prélèvements sur le Lac, qu’il pleuve,
qu’il neige ou qu’il fasse soleil… merci à Gérard PAOLINI (CALB), Emmanuel MALLET
du laboratoire EDYTEM, Emilie LYAUTEY, Annie MILLERY, Nathalie TISSOT et Jean
Christophe EUSTACHE. De même qu’un immense merci à Cécile PIGNOL pour sa
logistique lors de nos sorties sur le terrain.
Je tiens à remercier très chaleureusement Jean Philippe JENNY, spécialiste des trous
dans les sédiments du Lac du Bourget, pour m’avoir aidé à en faire quelques un mais aussi
pour son aide lors de l’ouverture des carottes. Merci pour nos discussions « sédimento » et
toutes les autres aussi, ce fut toujours un plaisir.

Merci à Cécile CHARDON et Nathalie TISSOT pour leur aide en biologie moléculaire
au nom de toutes ses PCR dont les résultats « bizarres » n’ont pas trouvé d’explications. Un
merci plus particulièrement à Nadine CURT GRAND GAUDIN (NCGG alias chef biomol’)
pour avoir pris le temps de répondre aux millions de questions que je t’ai posée ces dernières
années sur la biomol’. Et merci aussi pour toutes nos discussions, même les plus bizarres sur